丹麦技术大学3D打印一体化陶瓷燃料电池摒弃金属密封，实现重量锐减
时间：2025-09-21 11:05 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2025年9月20日，丹麦技术大学（DTU）研究团队在可持续能源技术领域取得重大突破，成功开发出一种基于3D打印技术的新型全陶瓷燃料电池，未来很有可能改变燃料电池在航空航天等高端移动场景中的应用局限。
3D打印制备新型螺旋燃料电池
传统燃料电池因依赖大量金属密封与连接部件，导致它的重量占比超过75%，严重限制了它在航空、航天等对重量敏感领域的应用。相比之下，纯电动解决方案同样面临能量密度不足的根本挑战——例如将喷气飞机70吨航油替换为锂离子电池，总重将激增至3500吨，完全不具可行性。
为解决这一瓶颈，DTU Energy与DTU Construct联合团队从结构设计层面实现原始创新。他们借鉴自然界中蝴蝶翅膀和工业热交换器中的螺旋几何形态，利用三重周期最小表面（TPMS）结构，通过数学优化与3D打印工艺制造出全球首款“单片螺旋固体氧化物电池”（简称“单片”）。这种结构在保证机械强度的同时，极大增加了电化学活性面积，实现了单位质量功率输出的跨越式提升——达到每克超过1瓦的比功率，创下该类型电化学装置的新纪录。
高级研究员Venkata Karthik Nadimpalli说道：“目前，使用基于电能的能源转换技术，例如电池和燃料电池，对于航空航天应用来说意义不大。但我们的新型燃料电池设计改变了这一点。这是首次使用可持续的绿色技术，展示航空航天所需的瓦特与克的比值（或称比功率）。”
生产制造得到简化
燃料电池已经为氢动力汽车、船舶、数据中心和医院提供动力，并且还可以通过电解储存可再生能源。新的DTU设计增加了多项优势：高效的气流、更佳的热量分布、更高的稳定性，以及比传统系统快近十倍的制氢速度。
Vincenzo Esposito教授说道：“我们还在极端条件下测试了该系统，包括100°C的温度波动，并在燃料电池和电解模式之间反复切换。燃料电池表现出色，没有出现结构故障或层分离的迹象。”
这项技术有望直接应用于诸如NASA“MOXIE”等项目，当前用于在火星大气中制氧的MOXIE系统重量超过6吨，若采用DTU方案可降至800公斤，大幅提升任务可行性。研究团队强调，传统SOC电堆需数十道工序并使用多种易退化材料，而这种项全陶瓷单片设计仅需五个制造步骤，无需金属组件，也消除了传统密封结构带来的脆弱性问题。研究人员进一步指出，更薄的电解质、低成本集流体和紧凑型结构设计还将为性能提升留下充足空间。
3D打印制备新型螺旋燃料电池
传统燃料电池因依赖大量金属密封与连接部件，导致它的重量占比超过75%，严重限制了它在航空、航天等对重量敏感领域的应用。相比之下，纯电动解决方案同样面临能量密度不足的根本挑战——例如将喷气飞机70吨航油替换为锂离子电池，总重将激增至3500吨，完全不具可行性。
△图片展示了传统SOC电池组的结构和组件，包括单电池、金属互连线和密封剂
为解决这一瓶颈，DTU Energy与DTU Construct联合团队从结构设计层面实现原始创新。他们借鉴自然界中蝴蝶翅膀和工业热交换器中的螺旋几何形态，利用三重周期最小表面（TPMS）结构，通过数学优化与3D打印工艺制造出全球首款“单片螺旋固体氧化物电池”（简称“单片”）。这种结构在保证机械强度的同时，极大增加了电化学活性面积，实现了单位质量功率输出的跨越式提升——达到每克超过1瓦的比功率，创下该类型电化学装置的新纪录。
高级研究员Venkata Karthik Nadimpalli说道：“目前，使用基于电能的能源转换技术，例如电池和燃料电池，对于航空航天应用来说意义不大。但我们的新型燃料电池设计改变了这一点。这是首次使用可持续的绿色技术，展示航空航天所需的瓦特与克的比值（或称比功率）。”
△一种采用螺旋结构的热交换器，这种设计尤其适用于航空航天领域
生产制造得到简化
燃料电池已经为氢动力汽车、船舶、数据中心和医院提供动力，并且还可以通过电解储存可再生能源。新的DTU设计增加了多项优势：高效的气流、更佳的热量分布、更高的稳定性，以及比传统系统快近十倍的制氢速度。
Vincenzo Esposito教授说道：“我们还在极端条件下测试了该系统，包括100°C的温度波动，并在燃料电池和电解模式之间反复切换。燃料电池表现出色，没有出现结构故障或层分离的迹象。”
△3D SOC的结构表征
这项技术有望直接应用于诸如NASA“MOXIE”等项目，当前用于在火星大气中制氧的MOXIE系统重量超过6吨，若采用DTU方案可降至800公斤，大幅提升任务可行性。研究团队强调，传统SOC电堆需数十道工序并使用多种易退化材料，而这种项全陶瓷单片设计仅需五个制造步骤，无需金属组件，也消除了传统密封结构带来的脆弱性问题。研究人员进一步指出，更薄的电解质、低成本集流体和紧凑型结构设计还将为性能提升留下充足空间。
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